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基于混合蛙跳算法的半主动悬架LQG控制

器设计

作者：文／王一凡

来源：《时代汽车》2018年第10期

摘要：建立了半主动悬架的2自由度1/4车辆动力学模型，应用最优控制理论设计了车辆

半主动悬架的LQG控制器。针对各性能指标的加权系数依靠经验选取的不足，引入混合蛙跳算

法对各权重系数进行计算，并利用MATLAB/Simulink软件进行仿真。仿真结果表明：与被动悬

架相比采用LQG控制器的半主动悬架，可将车身加速度、悬架动行程和轮胎动变形减小，从而

有效地减缓车身的振动，改善车辆的行驶平顺性和舒适性。

关键词：半主动悬架；平顺性；LQG控制；混合蛙跳法

1引言

随着汽车工业与技术的不断发展，为更好地提升汽车的安全和舒适性，悬架系统性能也越

来越得到人们的重视。由于被动悬架的刚度、阻尼不能变化，难以适应不同路况的，因而难以

满保证汽车行驶过程中平顺性和操纵稳定性的要求。半主动悬架能够根据实际工况对阻尼进行

调整，因此与被动悬架相较，半主动悬架在行驶过程中具有更好的使用性能[1]，加之共耗能小、

控制能更加迅速精确等优势，逐步成为研究热点。

对于半主动悬架控制策略，国内外都进行了广泛而深入的研究。目前，悬架的控制策略主

要有：天棚阻尼控制、模糊控制、PID控制、自适应控制和最优控制等。天棚阻尼控制是通过

on-off开关控制汽车悬架阻尼的控制策略，ZhangJ等[2]以磁流变半主动悬架为基础，采用改

进的天棚阻尼方法进行仿真实验，验证了天棚阻尼方法对操纵稳定性的提高有限。模糊控制采

用语言性的控制规则，不需要系统精确数学模型，易于理解。SJHuang等[3]提出了一种自适应

模糊滑模控制器来抑制路面变化引起的簧载质量位置振荡，结果证明，有效抑制了不同路面扰

动下簧载质量的振荡幅度。寇发荣等[4]对比天棚、地棚及模糊控器并进行仿真试验，结果证明

模糊控制具有较好的效果。其对复杂系统的控制，但由于共模糊逻辑及推理主观性较强，难以

进行推广。PID控制是Proportion、Integration、Differentiation的首字母缩写，代表了控

制器的三个组成模块比例、积分和微分。ToloeiA等[5]利用PID控制技术对半主动悬架进行了

振动控制，系统垂直振动等均有明显的改善。但单一的PID控制对于非线性系统的调控不稳定，

无法实现其动态特性。自适应控制可以根据车辆状态进行实时调整，郭孔辉等[6]提出了一种七

自由度模型的自适应控制策略，应用了最优控制参数，证明自适应控制策略可以提高舒适性和

安全性。但自适应控制需要实时调控，对控制系统要求较高，系统的鲁棒性易受影响。

最优控制是在给定的约束条件下，根据控制目标，对最优控制律进行设置的控制方法。其

在工作过程中能够对系统内各状态变量给予全面的考虑，控制效果明显，是半主动悬架控制领

域的研究热点。Chen等[7]基于电控空气悬架，提出了一种LQG控制方法，可以同时改善道路

友好性和平顺性；朱龙英[8]等为克服动态系统的不确定性，采用自适应LQG控制策略，并发现

其能够有效降低车身振动，显著提高了平顺性和操稳性罗鑫源等[9]基于层次分析法(AHP)设计

了一种能够降低BA、SWS和DTD的车辆主动悬架线性最优(LQG)控制器。针对控制指标的加权系

数，大多采用经验试凑选取的方法，准确性较低，工作量偏大。有部分学者对此进行了研究，

如陈双等[10]针对LQG控制权重系数依靠经验，具备一定的不确定性，因此采用遗传粒子群算

法进行确定；张志飞等[11]使用的改进的层次分析法确定加权系数，使其准确性高于经验选取

方法。但是，这些研究依然存在加权系数无法摆脱人为主观因素的影响。本文采用最优控制作

为半主动悬架系统的控制策略，并以混合蛙跳法为基础与悬架控制策略结合，确定衡量汽车平

顺性的各项指标的权重系数，据此设计车辆半主动悬架的LQG控制器。在MATLAB/Simulink中

建立1/4车辆二自由度模型进行仿真分析，验证了LQG控制器对半主动悬架调控的正确性及可

行性，为半主动悬架的控制器设计拓宽了设计思路，具有一定的应用价值。

21/4半主动悬架模型

二自由度1/4悬架模型结构简单，又由于车身垂向振动能直观的反映汽车的行驶平顺性，

该模型能直观反映出车身的垂向振动情况，因此采用1/4悬架模型，如图1所示。图中mt为非

簧载质量，ms为车体质量，kt为轮胎刚度，ks为悬架弹簧刚度，c为减振器阻尼，xo